Poslední úprava 2016

    
 

 Modifikace bloku LNB  (satelitní pásmo Ku) k použití na amatérském pásmu 10 368 MHz


Všeobecně

Příjem na mikrovlnných pásmech je pro mnoho hamů zajímavý. Je považován za technicky náročný a do vlastní konstrukce zařízení se pouštějí jen ti nejzdatnější. Téměř všem je však dostupný způsob, který využívá jednoduché modifikace levného bloku single LNB pro TV satelitní příjem.

LNB použité k experimentům

Které LNB jsou vhodné?

1. Single LNB, protože zpravidla nepotřebujeme další obvody v blocích s více výstupy.
2. LNB určené pro Ku pásmo, tj. takové, které přijímají na kmitočtech 10.7 až 12.7 GHz a konvertují do 950 MHz až 2150 MHz.
3. LNB, které obsahují krystalem řízený referenční oscilátor (princip PLL a VCO).

Konkrétní popis použitých LNB a označení hlavních částí

Obr. 1.: V obchodě měli v krabičkách dva vhodné typy LNB v ceně cca 100 Kč. Ukázalo se, že oba dva jdou snadno demontovat a modifikovat.

 

 

 

Obr. 2.: Z pravé krabičky (ZIRCON L-101 ECO) jsem po rozříznutí plastového pouzdra vydoloval moderní provedení LNB v malém hliníkovém odlitku, s F konektorem.

 

 

 

Obr. 3. a obr. 4.: Dielektrická část lze z odlitku vytáhnout. Vidíme vlnovod, ve kterém jsou vidět zářiče pro vertikální a horizontální polarizaci. Pohled do díry vlnovodu mě nenadchl. Ve škole nás učili, o čem jsou podmínky na okraji vlnovodu. Očekával bych nějakou "technologii nanesených vrstev" na hliníkový povrch. Asi jsem naivní, LNB se ve větším množství prodává přibližně za USD 1.50 a v jednotkovém množství za USD 5,-

Demontovaný LNB tohoto typu jde přepouzdřit do jednoduchého trubkového pouzdra.

Obr. 5.: K desce s plošným spojem (PCB) se dostaneme po odšroubování 4 šroubů.
Obr. 6.: Deska PCB obsahuje následující důležité součásti:
a) Dvakrát (pro V a H polarizaci) první stupeň předzesilovače s extrémně nízkým šumovým číslem (podle polovodičů je NF min asi 0.45 až 0.5 dB)
b) Jeden společný 2. stupeň předzesilovače
c) Napájecí obvod pro 1. a 2. stupeň. Je společný pro napájení výše uvedených 3 ks aktivních prvků (pHEMT nebo HJ - FET).Obsahuje ještě detektor pro volbu polarizace a detektor pro volbu dělicího poměru děličky v referenčním oscilátoru.
d) Zdroj referenčního kmitočtu. Obsahuje krystalový oscilátor s vnějším krystalem, obvody PLL (fázového závěsu), VCO (napětím řízeného oscilátoru cca 10 GHz), obvody směšovače, vstupní zesilovač před směšovačem (šum. číslo cca 7 dB) a výstupní mezifrekvenční zesilovač, který zpravidla funguje na pásmech 144 MHz, 432 MHz a 1296 MHz.

   
Obr. 7.: Desku z bloku demontujeme tak, že odsajeme pájku ze středního vodiče výstupního F konektoru tak, až je spoj spolehlivě uvolněn. Pak lze deska sejmout. Z druhé strany desky je krystal v low profile pouzdru (25 MHz), krystal lze snadno vypájet (s odsávačkou) a nahradit jinou vhodnou hodnotou podle kmitočtu, který potřebujeme - viz dále v textu.

Na desce jsou také vidět zářiče - budiče vlnovodu pro každou polarizaci.

Obr. 8.: Z druhé krabičky jsem po opatrném otevření krytu demontoval blok LNB, jehož fotografie je na obrázku vpravo. Dielektrickou krytku vlnovodu v tomto případě nedemontujeme.

Tento typ LNB lze opětovně zapouzdřit do původního pouzdra, které lze otevřít bez poškození plastových západek.

Obr. 9.: Pohled na F konektor
Obr. 10: Pohled na dielektrickou krytku ústí vlnovodu.
Obr. 11.: Pohled na PCB desku s hlavními díly LNB. Musíme provést demontáž 4 šroubků (stejné hvězdičky na šroubováku, jako v předchozím případě). Hliníkový dekl je zalepen silikonovým tmelem. Ten musíme seškrábnout. Po obvodě jsou malá vybrání. Tam musíme lehce zapáčit maličkým šroubováčkem. Hrot nestrkáme daleko, abychom s desky PCB nestrhli SMD součástku v blízkosti vybrání.
Obr. 12.: Pohled na hlavní díly bloku LNB. Opět vidíte oba první stupně předzesilovače (LNA, NF cca 0.45 - 0.5 dB), obvody Bias, společný 2. stupeň LNA a obvod směšovače, VCO, referenčního oscilátoru, PLL, děličky a mf zesilovače.

Obr. 13.: Detailní pohled na desku LNB. Tento typ používá u všech stupňů polovodič typu HJ-FET (Hetero Junction FET) typu NE3503MO4 v levném plastovém pouzdře. Minimální šumové číslo NF min = 0.45 dB na kmitočtu f= 12 GHz, při zisku Ga = 12 dB (tzv. asociovaný zisk k šumovému číslu). Katalogový list polovodiče lze stáhnout zde.

Takže na konvertoru (LNB) a krabičce uváděné parametry jsou skuteknou píkovinou, tedy marketingovou lží. Nicméně, šumové parametry a zisk jsou z technického pohledu skutečně dobré.

 
Jak LNB funguje ?

Z obvodového hlediska jsou si oba LNB podobné. Vycházejí z doporučeného schématu společnosti NXP (dříve Philips). Považuji za užitečné pochopit funkci základních použitých obvodů.

Na schématu vlevo jsou namalované oba první stupně nízkošumových předzesilovačů pro V a H polarizaci, následované společným druhým stupněm LNA.

Použité polovodiče jsou typu p-HEMT nebo HJ-FET. Důležité je, že obě napětí pro každý polovodič vyrábí jeden jediný obvod Bias (firma ZETEX). Jde o docela důležitý obvod pro ham-radio praxi a je popsán podrobně dále v textu. Za druhým stupněm LNA následuje obvod směšovače a oscilátorů. Tento obvod je používán s krystalem o kmitočtu 25 MHz. Pro některé ham účely lze krystal vyměnit za krystal jiné blízké hodnoty nebo ho lze nahradit externím zdrojem kmitočtu z generátoru.

Obvody BIAS

Pro obvody BIAS jsou použité obvody firmy ZETEX. Obvody obsahují zpravidla zdroj pro tři tranzistory pHEMT neho HJ-FET. Dále obsahují logiku pro přepínání polarizace V nebo H a logiku pro přepínání dělicího poměru děličky v oscilátoru referenčního kmitočtu (tuto funkcionalitu asi nepoužijeme).

Polarizace se přepíná velikostí napájecího napětí. K tomu slouží komparátor s napětím asi 14.75 Voltu. Při napájení 12 V je spolehlivě přepnut do jedné polohy a při napětí 16 V (někdy uvádějí 18 V) je spolehlivě přepnut do druhé polohy polarizace.

Na předchozím schématu jsou namalované všechny tři tranzistory LNA. Typem součástky pro BIAS volíme pracovní napětí VDS na hodnotu např. VDS = 2.0 Volt nebo VDS = 2.2 Volt. Proud pro optimální šumové číslo se nastavuje jediným rezistorem RCAL - viz schéma:

Aby bylo obvodem vyrobené záporné předpětí, bylo nutné použít a zapojit dva kondenzátory.

Dělicí poměr děličky referenčního oscilátoru se přepíná pomocí superponovaného napětí s kmitočtem 22 kHz. Tuto část v amatérské praxi nijak nevyužívám. Přepínat dělicí poměr za běhu nepotřebuji a kde se nastavuje trvale vám ukážu dále v textu. Pro úplnost a pro představu o principu fungování však uvádím i toto logické obvodové schéma:

Jako příklad součástky pro obvody BIAS uvedu typ ZNBG firmy ZETEX a datascheet součástky ZNBG 3210/3211příp. 3115/3116 .... Obvody jsou vhodné pro použití s polovodiči pHEMT i u jiných zapojení předzesilovačů. Hamové rádi generují záporné předpětí pomocí obvodu ICL 7660. Nemám nic proti takovému řešení.

U konvertoru LNB z levé krabičky byl pro BIAS a napájení použit obvod ZETEX ZXNB4202. Mám k němu pouze nedobrý datasheet. Není tam vysvětlen úplný princip. Ale je zřejmé, že obvod obsahuje napěťový regulátor 5 V pro napájení PLL VCO obvodu. Obdobně je na tom Bias obvod ZXNB4204.

Poznámka: Vyzkoušel jsem také u několika dalších LNA vlastní konstrukce obvody ZETEX (jsou laciné, v DL běžně dostupné) pro pásma 1296 MHz a 432 MHz s vynikajícími parametry šumových čísel a stability LNA. Prostě parádička.

Princip LNB jako downkonvertoru pro HAM pásmo

V LNB jednotkách, které jsem označil za použitelné, se používají s oblibou obvody firmy NXP (dříve Philips). Jedná se o integrovaný směšovač (mixer) a PLL oscilátor pro Ku pásmo. Označení obvodů na součástkách je např. T1017 a jde o obvody TFF1017 (datasheet zde). Může tam být i jiný podobný, např. TFF1015, apod.

A) Referenční krystalový oscilátor používá krystalu o rezonanci na 25 MHz. Tento kmitočet lze změnit výměnou krystalu nebo lze krystal odpojit, jeden vstup vf uzemnit přes kapacitu 47 pF a na druhý vstup přivést napětí o požadovaném kmitočtu z tenkého koaxiálního kabelu RG-174, rovněž přes kapacitu 47 pF. Druhá možnost je důležitá, je podrobněji popsána v bodě G) a na obrázku je vstup označen modrou barvou.

B) Dělička pracuje se dvěmi hodnotami dělicího poměru. P = 390 nebo P = 424. Příklad: Pro přijímaný kmitočet f = 10 368 MHz, pro mezifrekvenční kmitočet fIF = 432 MHz potřebujeme fXTAL = (10368-432)/390 = 25.4769 MHz.

C) Obvody TFF1017, apod. obsahují před mixerem RF zesilovač pro pásmo 10 GHz a za mixerem IF zesilovač pro pásmo 950 - 2150 MHz. Jde tedy zásadně o down konvertor (konvertuje dolů), nikoliv obousměrný konvertor. Proto z bloku LNB vyrobíme pouze vstupní díl přijímače, nikoliv up konvertor pro TX (neno TCVR). Výstupní obvod je dostatečně širokopásmový a většinou chodí směrem dolů od podstatně nižších kmitočtů, než od deklaronaných 950 MHz. Zda fungují od nulových IF frekvencí, to netuším, nezkoušel jsem to. Na 144 MHz mi fungovaly.

D) Pokud obvody TFF1015, 1017 fungují od 144 MHz, není důvod, aby fungovaly od fIF = 618 MHz. Při dělicím poměru P = 390 a původním krystalu 25 MHz je fVCO = 25 x 390 = 9750 MHz, po přičtení 618 MHz jsme na přijímaném kmitočtu 10368 MHz. Dnes není problém sehnat SDR rádio v USB dongle, které je schopné na tomto kmitočtu přijímat.

E) Vstupní obvody LNB jsem nemusel nijak upravovat. Měl jsem obavy, že mezi druhým stupňem LNA a vstupem do TFF1017 bude nějakou formou vytvořen pásmový filtr pro pásmo Ku. Nic složitého se však ani na jedné desce PCB nenacházelo a obvod mezi 2. stupněm a směšovačem je dostatečně širokopásmový.

F) Dělicí poměr interní děličky je 390 nebo 424 a přepíná se logickým signálem na pinu č. 10 (signál HB...high band).

G) Pro příjem majáků a provoz SSB jsem vyzkoušel interní krystalový oscilátor. Stabilita oscilátoru je na hranici použitelnosti. Hliníkový blok LNB lze sice modifikovat, vyvrtat do něho díry a nad blok nasadit krystal v termostatu, vytápěný a s regulovanou teplotou. Nicméně, právě tohle je zbytečná složitost a důvod vyzkoušet vnější referenční oscilátor. Jak jsem již uvedl, malou dírkou lze signál o kmitočtu kolem 25 MHz přivádět tenkým kabelem RG-174. A to ze stejného generátoru (kmitočtové ústředny), kterou použijeme pro TX. Pro potřebu provozu JT lze externí kmitočtovou ústřednu upravit tak, aby byla synchronizovaná z časového signálu 1PPS z GPS přijímače. A dále ji lze upravit tak, aby nám na základě výpočtu Dopplerova posunu kmitočtu kompenzovala kmitočtový posun. Potom nemusí být tato záležitost řešena při provozu EME (SAT) v TRXu.

Experimenty s oscilátory jsem prováděl s krystaly vyrobené ve firmě KRYSTALY Hradec Králové, a.s. Pro výrobu jsem zadal kmitočet pro sériovou rezonanci (tedy bez uvedené load kapacity) a použil jsem nejlevnější produkt s horší teplotní stabilitou i výrobní tolerancí.

Krystaly kmitaly stabilně poblíž sériové rezonance jak v zapojení PLL obvodu LNB, tak v externím oscilátoru (4060), tak v referenčním oscilátoru s tranzistory. Stabilita na pásmu 10 GHz zdá se být pro SSB i JT65 použitelná.

Finální výtvor využívá externího oscilátoru se signálem přivedeným do LNB pomocí RG-174. Externí oscilátor je v termostatu a se signálem vyvedeným na dva SMA konektory, druhý konektor slouží pro připojení měřiče kmitočtu.

Výstupní obvod LNB

A) Výstupní obvod LNB je řešen tak, že LNB je napájen po koaxiálním kabelu. Pro napájení si musíme vyrobit vhodný obvod, který nám oddělí LNB a TRX. Takové obvody jsem popsal např. v článku o napájení LNA pro UHF pásma.

B) Pokud použijeme mezifrekvenční kmitočty kolem 1 GHz, nemusíme v LNB upravovat nic a budou nám fungovat původní indukčnosti vyrobené na PCB. Já jsem toto vyzkoušel s TRXem Kenwood TS-2000, konvertoval jsem na kmitočet 1.270 MHz, tj. VCO pracovalo na 9.098 MHz a krystal kmital na hodnotě 23.3282 MHz. LNB fungoval úplně stejně s generátorem DDS, ze kterého jsem kmitočet přivedl na pin 12 (XO1).

C) Pokud použijeme nízký mf kmitočet, např. 144 MHz, doporučuji přerušit indukčnost L (je označena na schématu LNB a na fotografii (obr. 6) je vidět jako meandr vlevo od výstupního konektoru. Přerušené spoje se očistí tak, aby se na ně dala napájet malá indukčnost SMD o hodnotě např. 470 nH, přes kterou se napájí LNB. Toto funguje i u nižších mf kmitočtů, než je doporučený 1 GHz.

D) Hliníkový blok a F konektor jsem nemodifikoval. Je to naprosto zbytečné. Dalšímu z parametrů, který uvádí výrobce, je zisk LNB, kterému můžete spolehlivě věřit, tak jako asi každému z marketing. parametrů. V katalogových listech si snadno najdete, jaký je asociovaný zisk každého z obou stupňů LNA a jaký je konverzní zisk mixeru se zesilovači. Ale v Číně určitě sečítají dB jinak, ale určitě mají zkušenost s prodejem spotřebního zboží do EU s humanitně vzdělanými zákazníky. Pokud popsané LNB připojujeme k TRXu, máme možnost do outdoorové skříňky transvertoru vložit ještě jeden zesilovač s MMIC, který pracuje na našem mf kmitočtu. Určitě někdy příště popíšu moje provedení. Vstupní impedanci lze přizpůsobit hodnotě 75 Ohmů a výstupní ponechat 50 Ohmů. Na propojení s LNB používám TV koaxiální kabel s vlnovým odporem 50 Ohm (okonektorovaný F) a na propojení s TCVRem používám 50 Ohm kabel H155.

Poznámky k úpravám LNB

1. LNB z pravé krabičky (Zircon L 101 ECO) se snadno demontuje z hliníkového odlitku. PCB není zalepená silikonovým tmelem, ale ani není nijak chráněná proti vlhkosti. Při demontáži sice zničíme plastový kryt LNB, ale blok lze přepouzdřit do trubky. Tento LNB má výhodu ve snadné demontáži desky PCB, kterou uvolníme po odsátí pájky z F konektoru. Je vhodný pro nenáročné experimenty, při kterých potřebujeme vyměnit krystal za jinou hodnotu.

2. LNB z levé krabičky, ozn. jako AB LNB 01 je vhodný k přestavbě, při které neuvažujeme s výměnou krystalu, ale s úpravou, kdy přivedeme referenční kmitočet na PLL VCO obvod. V takovém případě přivedeme tenkým koaxiálem referenční signál do vyvrtané díry v hliníkovém deklu. Deska PCB se demontuje obtížně a hrozí nebezpečí poškození jemných spojů. Mnohem jednodušší je přerušit spoje ke krystalu, přivést referenční signál a desku neodlepovat z bloku. Mě se podařilo při odlepování v jednom případě poškodit jeden ze zářičů - budičů ve vlnovodu. Byl čínsky připájen. Jenže po přepájení jsem neměl jistotu, že to bylo provedeno dobře, ale LNB fungoval. Ve druhém případě se mi podařilo poškodit spoj desky. Nechtěla se odlepit. Když jsem použil mírné násilí, poměrně jsem ji dost deformoval. Po propájení spoje LNB opět fungoval.

Další použití (aplikace) upraveného LNB

I. Chystá se vypuštění zajímavé družice s HAM transpondéry. Dráha má být geostacionární. Satelit by mohl pokrýt oblasti Evropy, Afriky, Blízkého Východu, Indie, severního okraje Antarktidy a východního okraje Jižní Ameriky. Satelit by měla vyrobit Mitsubishi Electric Corporation (MELCO), launch se očekává v Q3/2017 (raketa Falcon 9) a transpondéry by měly pracovat na kmitočtech:

1. NB transpondér:
Uplink: S-band, polarizace RHCP, střední kmitočet 2400.175
Downlink: X- band, polarizace LVP, střední kmitočet 10 489.675 MHz, šířka pásma 250 kHz

2. WB transpondér:
Uplink: S-band, polarizace RHCP, střední kmitočet 2405.5
Downlink: X- band, polarizace LHP, střední kmitočet 10 495 MHz, šířka pásma 8 MHz

Uvažuji o jednoduchém řešení přijímače, které bude využívat TV LNB s minimální úpravou, zde popsanou. Plánuji použití oscilátoru s obvodem VCTCXO, s kmitočtem 23.6282 MHz. Tomu odpovídá kmitočet fVCO = 9 215 MHz a mezifrekvenční kmitočty (Kenwood TS-2000 s modulem 23 cm) 1.274 675 GHz a 1.280 GHz.

Na geostacionárním satelitu se chystám ověřit mimo SSB komunikce a vlastností pásem hlavně digitální druhy provozu vhodné pro slaboučké signály. Mým osobním cílem je najít řešení maličké stanice (z pohledu geometrických rozměrů antén a napájecích zdrojů) pro spolehlivou digitální komunikaci.

II. Na pásmu 10.368 GHz bych chtěl ověřit, jaké jsou minimální rozměry antén pro oboustranné a přiměřeně spolehlivé EME digitální spojení (provoz WSJT) s technicky jednoduše řešeným přijímačem, vyzkoušet (provozně ověřit) požadavky na kmitočtovou stabilitu oscilátorů a způsob řízení Dopplerova posunu výpočtem a řízením kmitočtové ústředny a stanovit potřebné výkony TX pro spolehlivější spojení.

Poznámky a úkoly

1. Stálo by za ověření použití konvertoru se 2 výstupy. Druhým konektorem lze do LNB přivádět oscilátorový signál referenčního oscilátoru. Prakticky popsáno a vyzkoušeno zde.
2. V předchozím odkazu je rovněž popis o zkouškách LNB, jednak s normálním satelitním přijímačem a také s běžným TCVRem pro amatérská pásma a s improvizovaným generátorem.
3. O nastavení antén je tento článek.



Závěr

Princip fungování soudobého LNB, stejně tak jeho modifikaci pro amatérské využití považuji za úvodní slabikář k mikrovlnným pásmům a za velice zajímavé téma, u kterého se můžeme nejen ledasčemu přiučit, ale také získat zajímavý zdroj zábavy a slušné zařízení za málo peněz.

   

© 2016  Míra Šídlo, ok1ufc, datum poslední úpravy: 05.10.2016